Simon Eccles scopre di più sulle testine di stampa a getto d’inchiostro e dà un’occhiata alla nuova generazione che si sta facendo strada nel settore della stampa.

 

Drop-on-demand, getto d’inchiostro continuo, piezoelettrico, termico, solido, binario, scala di grigi. Questi sono tutti termini che vengono utilizzati con disinvoltura per descrivere le stampanti a getto d’inchiostro e, in particolare, i loro tipi di testine di stampa.

Se sai cosa significano, questi termini ti permettono di prevedere abbastanza bene a cosa serve la stampante e come funzionerà. Se non lo sai, è raro che qualcuno si fermi a spiegarteli.

Ecco quindi che ci fermiamo a spiegarli. Alcuni termini descrivono il design fondamentale delle testine di stampa, altri descrivono cosa fanno o come funzionano. Alcuni possono essere doppi per una spiegazione più precisa, come ad esempio una testina piezoelettrica in scala di grigi, altri si escludono a vicenda: non è possibile avere una testina binaria in scala di grigi.

Questa è la guida di FESPA sulle testine di stampa a getto d’inchiostro. A cominciare da: cos’è una testina di stampa?

Il componente di una stampante a getto d’inchiostro che proietta le gocce d’inchiostro sul supporto. Si tratta di un’unità ad altissima precisione e la sua produzione comporta una grande quantità di proprietà intellettuale (know-how) e forti investimenti in fabbriche in camera bianca. Le moderne testine di stampa utilizzano spesso tecniche di produzione (come i MEMS a film sottile di silicio) che hanno molto in comune con la produzione di microchip.

All’interno di una tipica testina di stampa sono presenti l’elettronica del driver, i dispositivi di alimentazione dell’inchiostro e almeno una e di solito centinaia di camere d’inchiostro che conducono agli ugelli, che sono fori nella piastra dell’ugello.

I canali di ingresso dell’inchiostro hanno una larghezza di poche decine di micron e gli ugelli sono in genere di 20-50 micron. Un capello umano misura circa 80 micron.

La maggior parte delle testine di stampa utilizzate nel settore della cartellonistica e in altre applicazioni grafiche dispone di centinaia di ugelli controllati singolarmente per generare e proiettare le gocce (vedi anche “Goccia su richiesta”). Generare milioni di gocce in un passaggio della testina e assicurarsi che colpiscano il supporto nel punto giusto richiede un’elettronica molto avanzata.

Alcune inkjet hanno un unico ugello e proiettano un flusso continuo di gocce, che vengono deviate verso o lontano dal supporto da piastre elettrostatiche o soffi d’aria. Queste macchine vengono utilizzate per i sistemi di codifica e marcatura piuttosto che per la grafica. Vedi Getto d’inchiostro continuo.

Sebbene esistano centinaia di produttori di stampanti in tutto il mondo, tutti si riforniscono di testine di stampa da un numero relativamente ristretto di produttori specializzati, per poi integrarle nelle stampanti stesse con una combinazione di supporti, elettronica, alimentazione dell’inchiostro, firmware e software del driver.

Solo pochi produttori di stampanti di grande formato hanno una propria fabbrica di testine di stampa, tra cui Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (con la sua filiale Fujifilm Dimatix), HP e Xerox.

Tutti gli altri acquistano le testine o operano in joint venture con i produttori di stampanti. La maggior parte dei produttori sopra citati fornisce testine ad altri produttori su base OEM (anche se a volte tengono per sé i modelli più recenti). Altri produttori di testine sono Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC e Xaar.

Drop-on-demand (DoD)

Si tratta di un termine generico per indicare il tipo di testina di stampa che si trova di solito nelle moderne inkjet utilizzate per la grafica di alta qualità, comprese tutte le stampanti di grande formato che vedrai alle fiere FESPA e su questo sito.

Con il termine “drop-on-demand” si intende che gli ugelli a getto d’inchiostro generano e proiettano gocce d’inchiostro quando e dove sono necessarie per produrre un segno sul supporto. Il termine è stato coniato principalmente per contrastare le precedenti testine a flusso continuo (vedi flusso continuo sotto).

Le testine drop-on-demand sono ulteriormente suddivise in termiche o piezoelettriche – vedi sotto.

Una testina di stampa a getto d’inchiostro che proietta un flusso continuo di gocce per tutto il tempo in cui la stampante è in funzione. Normalmente è presente un solo ugello per testina, ma è possibile utilizzare un array di testine per creare un’area di stampa più ampia.

Il flusso viene deviato verso o lontano dal supporto da piastre metalliche cariche con un campo elettrostatico o (nel caso di Kodak) da soffi d’aria a tempo preciso. L’inchiostro indesiderato viene raccolto in un canale di raccolta e può essere filtrato e reintrodotto nel serbatoio di stoccaggio.

Oggi queste testine si trovano solitamente in sistemi di codifica e marcatura piuttosto che in sofisticate stampanti grafiche.

L’eccezione è rappresentata dalla famiglia di testine di stampa Kodak Prosper, che utilizza una tecnologia a getto d’inchiostro continuo altamente sviluppata chiamata Stream, che offre una qualità d’immagine molto elevata. Attualmente Prosper e Stream non sono utilizzate in stampanti dedicate per insegne e display.

Queste testine sono state il primo tipo di testine di stampa drop-on-demand e sono state utilizzate nelle prime inkjet desktop all’inizio degli anni Ottanta. Le testine di stampa termiche sono efficienti e possono offrire un’elevata qualità dell’immagine e velocità in grado di competere con le testine piezoelettriche, ma a differenza di quelle piezoelettriche funzionano solo con inchiostri a base d’acqua e quindi sono normalmente limitate ad applicazioni interne.

Gli inchiostri Latex di HP sono un’eccezione: funzionano con le testine termiche HP. Il motivo è che hanno un polimero attivato dal calore in una sospensione acquosa che va bene per l’uso all’aperto.

La tecnologia termica è stata inventata in modo indipendente e simultaneo negli anni ’70 da Printhead Technolo in Giappone e Hewlett-Packard negli Stati Uniti, che hanno deciso di unire i loro brevetti piuttosto che combattersi a vicenda.

Il principio è che un elemento all’interno di una camera d’inchiostro nella testina di stampa viene riscaldato rapidamente al punto che l’inchiostro liquido vaporizza e forma una bolla di gas, che si espande e spinge una goccia d’inchiostro fuori da un foro (l’ugello) a un’estremità della camera.

L’elemento termico viene quindi spento, così la bolla di gas si raffredda, si condensa e si contrae. La tensione superficiale dell’ugello impedisce all’aria di essere aspirata all’indietro, quindi l’inchiostro liquido viene aspirato nella camera dai tubi di alimentazione. Canon, che ha inventato le testine termiche, ha coniato il termine Bubble jet per il loro funzionamento.

Finora non esistono vere testine termiche in scala di grigi, quindi sono tutte binarie, il che significa che le gocce sono sempre della stessa dimensione. Tuttavia HP ha sviluppato ugelli accoppiati di dimensioni diverse che consentono di ottenere un effetto scala di grigi.

Le sollecitazioni termiche consumano rapidamente le testine, che sono state progettate come materiali di consumo e possono essere sostituite in modo semplice ed economico dopo poche decine o centinaia di ore di funzionamento.

Spesso chiamate semplicemente testine piezoelettriche. Queste testine drop-on-demand hanno iniziato a comparire nelle prime stampanti di grande formato negli anni ’90 e hanno rivoluzionato il settore. Per la prima volta hanno permesso di stampare in digitale gli inchiostri a solvente e UV originariamente associati alla stampa serigrafica.

Le testine piezoelettriche si basano sul principio che un particolare tipo di cristallo (spesso zirconato di piombo titanato nelle inkjet, scritto PZT) si espande o si contrae quando viene attraversato da una corrente elettrica e poi spento. Questa espansione/contrazione viene utilizzata come base di una pompa nella camera dell’inchiostro.

A seconda della configurazione dei cristalli (chiamati in modalità “bend” o “shear”), un’espansione bidirezionale aspira l’inchiostro e poi lo spinge fuori dalla camera attraverso l’ugello (Epson utilizza questa modalità), oppure genera onde di pressione acustica che hanno lo stesso effetto ma con meno energia (Xaar utilizza questa modalità).

La corrente elettrica può essere attivata e disattivata molto rapidamente e anche l’espansione/contrazione del cristallo è quasi istantanea, quindi le possibilità di controllare la formazione dei punti sono molto più ampie rispetto alle testine termiche.

Ciò significa, tra l’altro, che alcune testine piezoelettriche possono generare gocce di dimensioni variabili dalla stessa camera e dallo stesso ugello, dando luogo a diverse densità di inchiostro sul supporto. Queste testine sono chiamate testine a scala di grigi (vedi sotto).

L’effetto piezoelettrico funziona praticamente con qualsiasi fluido, quindi le testine di stampa piezoelettriche possono essere costruite per gestire inchiostri a base di solventi, inchiostri a polimerizzazione UV (compresi alcuni utilizzati per la stampa 3D) e inchiostri acquosi. Possono essere utilizzate anche per fluidi difficili come gli inchiostri elettro-conduttivi, gli inchiostri bianchi e metallici opachi a particelle grandi, gli inchiostri per la stampa 3D e gli inchiostri a cambiamento di fase che si trasformano in liquido quando raggiungono la camera d’inchiostro.

Le testine piezoelettriche durano molto più a lungo di quelle termiche perché lo stress termico è minore e i cristalli piezoelettrici possono espandersi/contrarsi milioni di volte. Una testina piezoelettrica è normalmente destinata a durare per tutta la vita della macchina, a patto che non si verifichino blocchi fatali o danni esterni. Tuttavia, la loro produzione e il loro acquisto costano molto di più rispetto alle testine termiche, per cui gli utenti devono impegnarsi maggiormente nella loro manutenzione.

Questi termini indicano se le gocce della testina di stampa hanno tutte la stessa dimensione o se possono essere variate in qualche modo in modo da poter controllare la densità dell’inchiostro che raggiunge il supporto con tonalità più chiare. In combinazione con le tecniche di mezzatinta, la scala di grigi può estendere notevolmente la gamma tonale di un getto d’inchiostro, consentendo al contempo l’utilizzo di ugelli di dimensioni relativamente modeste o di un numero inferiore di passaggi.

In origine le testine di stampa piezoelettriche erano sempre binarie, ovvero generavano gocce d’inchiostro tutte della stessa dimensione. È possibile ottenere una buona gamma di toni da una testina binaria utilizzando tecniche di mezzatinta, ma i toni di luce possono risultare un po’ sgranati a meno che non si utilizzino ugelli con passo ultra-fine (e/o si aggiungano inchiostri supplementari di colore più chiaro).

Le dimensioni tipiche delle gocce binarie vanno da 30 a 100 picolitri. È possibile ottenere gocce più piccole per ottenere risultati più fini, ma ciò significa che sono necessari più passaggi per creare la densità delle aree solide nella stampa, quindi la stampa è più lenta.

Le testine in scala di grigi possono variare la densità dei singoli punti stampati, per cui una goccia può mostrare dal 30% o 50% al 100% di colore. Il vantaggio è che con risoluzioni inferiori e un minor numero di passaggi della testina si può ottenere la stessa “risoluzione effettiva” delle testine binarie con risoluzioni native molto più elevate.

Ad esempio, si dice che una risoluzione di 360 dpi con una testina in scala di grigi dia lo stesso effetto di una risoluzione binaria di 1.000 dpi, il che è quanto di meglio si possa desiderare per le fotografie e le sfumature anche per la visione da vicino.

Le testine piezo variano le dimensioni dei punti con diversi metodi, di solito a seconda del singolo produttore e dei brevetti che detiene o che vuole evitare di violare. A seconda dei metodi utilizzati, le dimensioni delle gocce disponibili possono essere da tre a tre.

La dimensione più piccola delle testine di stampa più fini (spesso utilizzate per la fotografia) è inferiore a 2 picolitri.) Per le stampanti di segnaletica, i formati da 10 a 20 picolitri sono più comuni per le gocce più piccole, poiché la velocità e la copertura sono più importanti della qualità di visualizzazione da vicino.

Scala di grigi termica

Le vere gocce di dimensioni variabili sono finora possibili solo con le testine piezoelettriche. Tuttavia HP ha sviluppato una forma di scala di grigi per le sue testine termiche PageWide, chiamata High Definition Nozzle Architecture. Finora questa soluzione viene utilizzata solo sulle enormi macchine da stampa a bobina a getto d’inchiostro della serie T per la stampa commerciale e non sui modelli di grande formato PageWide XL a singolo passaggio che finora sono stati utilizzati principalmente per lavori CAD e di progettazione.

Sebbene le gocce siano sempre della stessa dimensione da ogni ugello, accoppia un ugello grande e uno piccolo molto vicini nella testina di stampa e li tratta come un unico elemento di imaging. In seguito, prende due coppie di ugelli e li controlla come un unico elemento di imaging per la scala di grigi.

Sparando diverse combinazioni di due ugelli piccoli e due grandi, è possibile ottenere cinque livelli di grigio (in realtà è il bianco più quattro livelli). Il passo degli ugelli HDNA è di 2.400 dpi, quindi le coppie di ugelli hanno una risoluzione nativa di 1.200 dpi e i set in scala di grigi sono di 600 dpi.

Un ulteriore controllo della densità è possibile utilizzando colori di inchiostro diversi negli ugelli grandi e piccoli (ad esempio ciano e ciano chiaro). I set di ugelli possono anche essere controllati separatamente per ottenere velocità o risoluzioni più elevate, con meno livelli di grigio.

 

Si tratta di una descrizione del passo dell’ugello, ovvero del numero effettivo di gocce d’inchiostro che una testina di stampa può produrre in una determinata area. Di solito il settore indica questi valori come punti per pollice, piuttosto che come misura metrica. Quindi, se una testina di stampa è larga 1,5 pollici (38 mm) e ha 540 ugelli su tutta la larghezza, la risoluzione nativa è di 360 dpi.

Molte inkjet di grande formato costruiscono le immagini in una serie di passaggi sovrapposti, per cui sul supporto possono esserci molte più gocce per pollice di quante ne possa dare la sola risoluzione nativa. Più alti sono i dpi, più la stampa finale può assomigliare a una fotografia a tono continuo.

Le testine in scala di grigi consentono di creare una gamma di densità di punti diverse, offrendo una maggiore gamma tonale rispetto a una testina binaria con lo stesso passo dell’ugello, che a sua volta offre una migliore simulazione del tono continuo.

È quindi comune che i produttori di stampanti in scala di grigi parlino di risoluzioni “equivalenti”, intendendo ad esempio che una testina in scala di grigi da 360 dpi potrebbe fornire la qualità percepita equivalente a una testina binaria da 1.000 dpi.

Esistono anche testine di stampa con risoluzioni native molto elevate, come le testine Micro Piezo PrecisionCore TFT di Epson (utilizzate nelle stampanti SureColor) che hanno una risoluzione nativa di 600 dpi e cinque dimensioni di goccia che vanno da 1,5 a 23 picolitri.

La PageWide HDNA di HP, citata in precedenza, ha un passo degli ugelli di 2.400 dpi alternando ugelli grandi e piccoli, ma poiché sono controllati a coppie, la risoluzione nativa può essere considerata di 1.200 dpi.

Gli operatori del settore che desiderano saperne di più sui kit HP ed Epson e sui vantaggi che possono offrire alle loro aziende possono parlare con gli esperti delle aziende alla FESPA 2017, che si terrà dall’8 al 12 maggio presso la Hamburg Messe in Germania.

HP ed Epson saranno due degli oltre 700 marchi che saranno presenti all’evento, che si prevede attirerà un numero record di visitatori.

Per saperne di più su FESPA 2017visita il sito: https://www.fespa2017.com. I visitatori possono ottenere l’ingresso gratuito alla fiera registrandosi online, citando il codice di riferimento: FESG702.